氫氣是一種廣為人知的清潔燃料，然而作為超輕質氣體，讓氫氣液化需要 700 個大氣壓，或者在接近絕對零度的狀态下低溫冷卻，這使得氫氣難以運輸和處理，氫能源也随之價格昂貴。
氨氣（NH3）或許是一種比氫氣本身更好的氫載體：它的每一個氮原子都結合三個氫原子，能夠存儲大量能量；液氨雖然在高濃度下具有腐蝕性，但它在大氣溫度和壓力下是一種穩定的液體，易于運輸，在許多行業都有廣泛使用。
然而，想要從氨中獲取氫，并将無害的氮釋放回大氣中，也并不容易。首先，氨裂解反應是吸熱的，大多數情況下需要在 650-1000 ° C 的溫度下的大型設施中進行，産生大量碳排放；其次，裂解操作所需的熱催化劑通常是鉑族金屬，如钌，往往稀有且昂貴。
近日，萊斯大學團隊僅使用廉價、高豐度的銅、鐵材料，開發了一種優良的光催化劑，隻需要光照的能量就可以在室溫下将氨轉化為清潔的氫燃料，與昂貴的熱催化劑同樣有效。該研究發表在《科學》雜志上，共同第一作者為兩位中國科學家。
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當熱驅動時，鐵這類金屬對于氨裂解的反應性遠低于钌，因為 Fe-N 鍵非常強，以至于産物吸附後不易解吸。而這項工作表明，隻需廉價的 LED 光源，它們就可以成為高效的等離子體光催化劑，有效地進行光催化。
" 這一發現為可持續的、低成本的産氫鋪平了道路，隻需要 LED 光源和小型設備，無需在大規模的集中式工廠中生産。" 通訊作者之一的 Peter Nordlander 說。
對于同一種金屬材料，吸收光的能力和催化能力往往不可得兼。繼 2011 年發現可釋放短壽命、高能電子（稱為 " 熱載流子 "）的等離子體粒子之後，該團隊在 2016 年發現，熱載流子發生器可以與金屬納米粒子催化劑結合，産生混合 "天線反應堆"：将金、銀、鋁等金屬作為 " 光子天線 "，從光中獲取能量，增加催化劑吸收光的能力；而钯、鉑、铑等金屬納米粒子則作為催化劑，精确驅動化學反應。
（左）等離子體天線通過局部近場增強與催化反應器金屬納米粒子耦合（右）萊斯大學的 " 天線反應堆 " 等離子體催化劑：将光捕獲納米材料與高效金屬催化劑相結合。此圖中，反應性钯的 " 島 " 點綴在鋁晶體的氧化鋁表面，鋁晶體被用作光子天線來捕獲光并激活催化島 | 參考文獻 [ 1 ]
經過适當調整，這些 " 天線反應堆 " 粒子就能從環境光（無論是陽光還是低能耗 LED 的光）中吸收能量，即使在環境溫度下也能進行有效的化學反應。該團隊多年來一直緻力于為天線反應堆的光能收集和反應加速部分尋找非貴金屬作為替代品，這項新研究即為這一系列工作的結晶。
由銅和鐵制成的 " 天線反應堆 " 顆粒在催化氨裂解方面非常高效。" 在沒有光的情況下，銅 - 鐵催化劑的反應活性比銅 - 钌催化劑低約 300 倍，這并不奇怪，因為钌是該反應的更好的熱催化劑。" 共同通訊作者 Robatjazi 說，" 而在光照條件下，銅 - 鐵顯示出與銅 - 钌相似且相當的效率和反應性。"
" 這是科學文獻中首次報道 LED 光催化可以從氨中産生克級量的氫氣。" 另一位通訊作者 Halas 說，" 這打開了一扇大門，此後能使用高豐度低價格金屬完全取代等離子體光催化中的貴金屬。"
" 鑒于它們在顯著減少化工産業碳排放方面的潛力，等離子體天線反應堆光催化劑值得進一步研究。" 共同通訊作者 Carter 補充道，" 非貴金屬的其他組合很可能在許多其他化學反應中成為具有成本效益的催化劑。"
Syzygy Plasmonics 的反應池（左）和光催化平台（右），用于銅 - 鐵等離子體光催化劑的氨制氫測試。催化作用的所有反應能量都來自光波長為 470 nm 的 LED | 參考文獻 [ 2 ]
參考文獻
[ 1 ] Yuan, Yigao, et al. "Earth-abundant photocatalyst for H2 generation from NH3 with light-emitting diode illumination." Science 378.6622 ( 2022 ) : 889-893.
[ 2 ] https://news.rice.edu/news/2022/rice-labs-catalyst-could-be-key-hydrogen-economy
[ 3 ] https://newatlas.com/energy/light-catalyst-ammonia-rice/
[ 4 ] https://news2.rice.edu/2016/07/18/rices-antenna-reactor-catalysts-offer-best-of-both-worlds/
[ 5 ] Swearer, Dayne F., et al. "Heterometallic antenna − reactor complexes for photocatalysis." Proc. Natl. Acad. Sci. 113.32 ( 2016 ) : 8916-8920.
編譯：竹子
